Mat. Symp., str.257-273 Jan ZYCH, Marek KRUCZKOWSKI Politechnika Śląska, Gliwice Stanisław ZAWADA, Andrzej KUBAŃSKI Zakład Inżynieryjny Georem, Sosnowiec Uzdatnianie terenu w rejonie wiaduktu drogowego SC-0 dla potrzeb budowy Drogowej Trasy Średnicowej Streszczenie W wielu rejonach Górnośląskiego Zagłębia Węglowego istnieją stare zroby górnicze, będąe wynikiem eksploatacji płytko zalegających pokładów węgla, prowadzonej głównie w XIX i na początku XX wieku. Zroby te powodują w pewnych warunkach ryzyko wystąpienia deformacji nieciągłych na powierzchni terenu. Drogowa Trasa Średnicowa na styku miast Chorzowa i Świętochłowic przebiega przez tereny w podłożu, których znajdują się płytko zalegające pustki po eksploatacji pokładu 501. Dla zabezpieczenia odcinka Drogowej Trasy Średnicowej w rejonie wiaduktu SC-0 (od ul. Wolności w Chorzowie do ul. Żołnierskiej w Świętochłowicach) zostały wykonane prace mające na celu uszczelnienie górotworu oraz likwidację płytkich zrobów, których podstawowym celem było wyeliminowanie przyczyn powstawania deformacji nieciągłych na powierzchni. 1. Drogowa Trasa Średnicowa Górnośląski Okręg Przemysłowy (GOP) rozciąga się na przestrzeni 70 km w samym centrum województwa śląskiego - od Gliwic na zachodzie aż po Dąbrowę Górniczą na wschodzie. Powierzchnia jego wynosi około 1200 km 2, co stanowi ok. 0,4 % powierzchni kraju. Okręg ten charakteryzuje się bardzo intensywnym uprzemysłowieniem i jest położony w istotnym miejscu krajowej i europejskiej sieci transportowej. Sieć drogowa GOP jako element komunikacji transeuropejskiej - przenosi obecnie około 100 tys. pojazdów rzeczywistych na dobę (średniorocznie), a do roku 2015 liczba ta wzrośnie do ok. 140 tys. Po drogach Górnośląskiego Okręgu Przemysłowego przewozi się ponad 25% ogólnokrajowej masy towarowej, a natężenie ruchu na tych drogach przekracza kilkakrotnie średnie wartości krajowe. Przeciążona sieć komunikacyjna GOP oraz jej zły stan techniczny jest istotną przyczyną utrudnionego funkcjonowania i rozwoju tego obszaru, a w sposób pośredni, całego kraju. Istnieje nagląca potrzeba modernizacji tego układu drogowo - ulicznego, a kluczowym elementem tej modernizacji jest miejska autostrada Katowice - Gliwice, zwana Drogową Trasą Średnicową (DTŚ) łącząca sześć miast centralnej i zachodniej części aglomeracji: Katowice, Chorzów, Świętochłowice, Ruda Śląska, Zabrze i Gliwice i jest usytuowana stycznie do ich obszarów centralnych. Jej podstawowym zadaniem jest obsługa wewnętrznego ruchu samochodowego, przez które przebiega. DTŚ zapewni podstawowe powiązania międzymiejskie, a także pozwoli na odciążenie ulic 257
J. ZYCH, S. ZAWADA, A. KUBAŃSKI, M. KRUCZKOWSKI Uzdatnianie terenu w rejonie... osiedlowych, dzielnicowych i centrów miast od ruchu bezpośrednio z nimi nie związanego, szczególnie ruchu średniego i ciężkiego. Trasa będzie obsługiwać również przyległe tereny poprzez dość gęsto rozmieszczone węzły (średnio, co ok. 1 km), co stwarza szansę na aktywizację tych terenów. Wybudowanie Trasy da szansę na pokonanie bariery komunikacyjnej wewnątrz aglomeracji, w której ponad 85% ruchu stanowi ruch lokalny, którego źródło lub cel umiejscowiony jest wewnątrz niej. W przekroju poprzecznym Trasa składa się z dwóch jezdni - każda po trzy pasy ruchu szerokości 3,50 m oraz z pasa awaryjnego szerokości 2,50 m. Jezdnie są rozdzielone pasem zieleni szerokości 4,00 m. Łączna szerokość w koronie drogi wynosi 32,00 m. Na jezdni zaprojektowano nawierzchnię asfaltową na podbudowie tłuczniowej o łącznej grubości 1,05 m. Specyficzne warunki budowy DTŚ - wynikające z jej lokalizacji - powodują konieczność uwzględniania w projekcie szerokiego zakresu robót towarzyszących, a przede wszystkim wymiany i rozbudowy miejskiej infrastruktury technicznej. Niezależnie od funkcji komunikacyjnych, skrócenia czasu przejazdu i zwiększenia komfortu podróżowania, trasa przyniesie efekty proekologiczne wynikające z mniejszego zużycia paliwa oraz mniejszej emisji szkodliwych substancji zawartych w spalinach. W projektowaniu uwzględniono zabezpieczenia przeciwhałasowe takie jak: ochronne nasypy ziemne, ekrany akustyczne, zieleń izolacyjną oraz dodatkową izolację budynków i wymianę okien. Dla zabezpieczenia przed przedostawaniem się do środowiska wodnego substancji niebezpiecznych (awarie, wypadki) zastosowano separatory, odolejacze oraz zbiorniki. Budowa DTS jest bardzo skomplikowanym zadaniem inżynierskim ze względu na zakres prac i z uwagi na jej usytuowanie. Silnie zurbanizowana aglomeracja o przemysłowym charakterze i dużej liczbie mieszkańców powoduje szereg trudności realizacyjnych np.: - duża liczba obiektów inżynierskich, - konieczność wyburzenia budynków mieszkalnych, - występowanie szkód górniczych, - utrzymanie ruchu na przebudowywanych ulicach, - duży zakres zabezpieczeń środowiska przed niekorzystnym oddziaływaniem Trasy. Przebieg Drogowej Trasy Średnicowej przez Górnośląski Okręg Przemysłowy przedstawiono na rys. 1.1. Drogowa Trasa Średnicowa przebiega przez tereny, gdzie w XIX i na początku XX wieku prowadzona była płytka eksploatacja pokładów węgla kamiennego, w związku, z czym w podłożu trasy na jej przebiegu w rejonie Chorzowa, Świętochłowic i Rudy Śląskiej występują płytko zalegające wyrobiska pogórnicze. W niniejszym artykule opisany zostanie przebieg prac mających na celu uzdatnienie i podsadzenie terenu pod budowę wiaduktu SC-0 (długości 500 m) oraz odcinka szlaku kolejowego Chorzów Batory Chorzów Miasto w km 1.300 1.700, co wyeliminuje przyczyny powstawania deformacji nieciągłych na powierzchni w tym terenie. 258
2. Ogólna charakterystyka terenu Rys. 1.1 Przebieg Drogowej Trasy Średnicowej Fig. 1.1. The localisation of the Diameter Road (DR) Rozpatrywany teren przeznaczony pod budowę wiaduktu SC 0 Drogowej Trasy Średnicowej oraz odcinka szlaku kolejowego Chorzów Batory Chorzów Miasto w km 1.300 1.700, położony jest na granicy miast pomiędzy ul. Bałtycką w Chorzowie, a ul. Żołnierską w Świętochłowicach oraz rzeką Rawą stanowiącą granicę pomiędzy tymi miastami. W celu wyeliminowania przecinania się szlaku PKP z Drogową Trasą Średnicową zaprojektowano bezkolizyjny przebieg DTŚ, co wymagało budowy wiaduktu drogowego SC 0 o długości 500 m, oraz nowego odcinka szlaku kolejowego Chorzów Batory Chorzów Miasto w km 1.000 1.900. Widok wybudowanego wiaduktu drogowego SC 0 (DTŚ) oraz odcinka szlaku kolejowego Chorzów Batory Chorzów Miasto w km 1.300 1.700 przedstawiają zdjęcia fot. 2.1 i fot. 2.2. 259
J. ZYCH, S. ZAWADA, A. KUBAŃSKI, M. KRUCZKOWSKI Uzdatnianie terenu w rejonie... Fot. 2.1. Widok ogólny wiaduktu SC-0 Drogowej Trasy Średnicowej Photo 2.1. General view of SC-0 flyover of DR Fot. 2.2 Szlak kolejowy PKP Chorzów Batory-Chorzów Miasto. Podsadzanie otworu nr 8 Photo 2.2 PKP railway track Chorzów Batory Chorzów Miasto. Filling of borehole number 8 260
3. Zagrożenia występowaniem deformacji nieciągłych Projektowany do budowy wiadukt drogowy SC 0 oraz odcinek nowobudowanego szlaku PKP Chorzów Batory Chorzów Miasto zlokalizowany jest na obszarze górniczym zlikwidowanego Ruchu Polska Kopalni Polska Wirek. W rejonie tym prowadzona była w ubiegłym wieku płytka eksploatacja górnicza. W związku z tym zostało przeprowadzone rozeznanie dotyczące zagrożenia ze strony starych zrobów oraz opracowany projekt likwidacji zagrożenia i wzmocnienia spękanego górotworu poprzez podsadzenie pustek w starych wyrobiskach górniczych. W budowie górotworu pod wyżej wymienionymi projektowanymi budowlami biorą udział warstwy czwartorzędu oraz karbonu, który jest reprezentowany przez warstwy rudzkie, siodłowe i brzeżne. Miąższość czwartorzędu wynosi od 13,0 m do 35,0 m, a miąższość karbonu nad pokładem 501 wynosi od 32,0 m do 52,0 m. Pod wiaduktem SC 0 oraz szlakiem PKP prowadzone były roboty górnicze w pokładach 501, 504, 507 i 510. Najwyżej zalegający, eksploatowany pokład 501 o grubości około 6,0 m jest położony na głębokości od 50,0 m do 73,0 m. Roboty górnicze w tym pokładzie prowadzono w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku systemem chodnikowym i filarowym (rys. 3.1). Analiza tektoniki w tym rejonie wykazała występowanie uskoków, które mają zróżnicowany kierunek i wielkość zrzutu. Jest to przyczyną występowania zwiększonej szczelinowatości i większego zruszenia górotworu. W rozpatrywanym rejonie w wyniku przeprowadzenia badań geofizycznych mikrograwimetrycznych stwierdzono występowanie anomalii ujemnych, których amplituda i przebieg mogły być generowane występowaniem pustek poeksploatacyjnych. Stwierdzono ponadto występowanie uskoku głównego o przebiegu z południowego zachodu na północny wschód w pokładzie 501. 4. Ocena zagrożenia terenu pod budowę wiaduktu SC-0 i szlaku kolejowego PKP ze strony starych wyrobisk pogórniczych Na powstanie, rodzaj i wielkość deformacji nieciągłych na powierzchni mają wpływ następujące czynniki: - głębokość występowania eksploatowanego pokładu, - grubość i ilość eksploatowanych pokładów, - system eksploatacji, - rodzaj i układ warstw skalnych nad eksploatowanym pokładem oraz własności fizykomechaniczne tych warstw, - tektonika górotworu, - warunki hydrogeologiczne. Do najważniejszych przyczyn powstawania deformacji nieciągłych na powierzchni należy zaliczyć: - eksploatację pokładów na małej głębokości zwłaszcza z zawałem stropu, - reaktywację starych płytko zalegających zrobów, - zmiany warunków hydrogeologicznych górotworu, - występowanie starych szybów i szybików, - doprowadzenie do powstania wspólnej krawędzi w kilku pokładach, - roboty górnicze w strefach zawodnionych uskoków, - eksploatację w rejonie wychodni pokładów. 261
J. ZYCH, S. ZAWADA, A. KUBAŃSKI, M. KRUCZKOWSKI Uzdatnianie terenu w rejonie... Rys. 3.1 Zakres dokonanej płytkiej eksploatacji w pokładach 501 i 510 oraz rozmieszczenie otworów do podsadzania wzdłuż szlaku PKP i DTŚ w poszczególnych etapach Fig. 3.1 The range of shallow exploitation in 501 and 510 coal seams and localisation of boreholes for backfilling along PKP railway tracks and the DTS in individual stages 262
Na podstawie prowadzonej analizy wszystkich tych czynników, biorąc pod uwagę przede wszystkim budowę górotworu i dokonaną eksploatację górniczą w rozpatrywanym rejonie stwierdzono, na podstawie wyników badań geofizycznych że zasadniczą przyczyną mogącą stanowić zagrożenie w postaci zapadlisk na powierzchni jest istnienie starych chodników i wyrobisk komorowych w pokładzie 501 w bezpośrednim sąsiedztwie strefy uskokowej. Warunkiem koniecznym, aby na powierzchni wystąpiło zapadlisko jest zaistnienie warunku h<h z max (4.1) gdzie: h miąższość górotworu zwięzłego nad pustką, h zmax wysokość strefy zawału. W wyniku przeprowadzonych rozważań i obliczeń uwzględniając położenie pokładu 501 stwierdzono duże zagrożenie występowaniem deformacji nieciągłych na powierzchni terenu. Na podstawie obliczeń ustalono, że najbardziej prawdopodobna średnica zapadliska, jaka może powstać na powierzchni może wynosić około 6,0 m, ale nie można wykluczyć powstania zapadliska o średnicy 25,0 m. W celu zlikwidowania występowania deformacji nieciągłych na powierzchni, postanowiono to zagrożenie zlikwidować poprzez wzmocnienie spękanego górotworu zbudowanego z utworów karbońskich i podsadzenie starych wyrobisk. Mając powyższe na uwadze ustalono, że szerokość podsadzanego pasa terenu dla nowobudowanego wiaduktu SC 0 dla DTŚ oraz 3 torowego szlaku PKP powinna wynosić około 40,0 45,0 m. 5. Prace geodezyjne Przed przystąpieniem do prac wiertniczo uzdatniających w każdym etapie zrealizowanych prac były wykonywane badania geofizyczne metodą grawimetryczną. Po szczegółowej analizie map pokładowych, w szczególności pokładu 501 oraz wyników badań geofizycznych wyznaczono położenie otworów wiertniczych. Otwory wyznaczono nad wyrobiskami chodnikowymi, dlatego ich lokalizacja na powierzchni nie mogła być dowolnie rozmieszczona. Współrzędne wyznaczonych otworów zostały przeniesione na mapę powierzchni w układzie Sucha Góra. Mapa wyrobisk górniczych pokładu 501 z naniesionymi otworami, które zostały odwiercone w trakcie realizacji prac wiertniczo-uzdatniających w etapie I, II i III w latach 1992-2001 przedstawiono na rys. 3.1. 6. Przebieg prac wiertniczo uzdatniających Zakres niezbędnych prac wiertniczo podsadzkowych określonych w oparciu o analizę map pokładowych, wyników badań geofizycznych oraz oceny stanu zagrożenia powierzchni terenu deformacjami nieciągłymi został podzielony na 3 etapy. Etap I obejmował uzdatnienie górotworu dla likwidacji deformacji nieciągłych (pas szerokości około 50,0 m) od ulicy Żołnierskiej w Świętochłowicach do istniejącej linii PKP relacji Chorzów Batory Chorzów Miasto o długości około 500,0 m dla potrzeb budowy wiaduktu drogowego SC-0 DTS. Prace wiertniczo - uzdatniające prowadzone były w latach 1993-1995. Etap II obejmował wypełnienie pustek w wyrobiskach górniczych pod szlakiem PKP Chorzów Batory Chorzów Miasto w km 1.200 1.500 (od mostu na rzece Rawie do szybu 263
J. ZYCH, S. ZAWADA, A. KUBAŃSKI, M. KRUCZKOWSKI Uzdatnianie terenu w rejonie... wentylacyjnego KWK Polska Wirek), dla potrzeb budowy nasypu kolejowego (pas o szerokości 40 m) nowobudowanego szlaku PKP Chorzów Batory Chorzów Miasto. Prace wiertniczo - uzdatniające realizowane były w latach 1997 1998. Etap III obejmował zabezpieczenie nowobudowanego odcinka szlaku PKP Chorzów Batory Chorzów Miasto w km 1.585 1.700 przed deformacjami nieciągłymi pas o szerokości 40,0 m. Prace wiertniczo - uzdatniające realizowane były w latach listopad 2000 marzec 2001 rok. Całość prac wiertniczych wykonano urządzeniami mechanicznymi UGB i URB systemem obrotowym na sucho z płuczką wodną. Na sucho wiercono w gruntach czwartorzędowych i stropowej części warstw karbońskich tj. w strefie zwietrzelin, natomiast z płuczką z pełnym rdzeniowaniem w skałach karbońskich. Do głębokości osadzenia rur konduktorowych wiercono świdrem rurowym (szapą) i spiralnym (szczekiem). Rury konduktorowe o średnicy Φ 5 cementowano zaczynem sporządzonym z cementu CEM I 32,5 R w celu przystosowania ich do ciśnieniowego zatłaczania zaczynów wiążących. Po związaniu zaczynu cementowego po okresie 48 godzin zwiercano korek cementowy w kolumnie rur konduktorowych świdrem gryzowym Φ 114 mm z płuczką wodną, a dalsze wiercenie prowadzono strefami systemem rdzeniowym z płuczką wodną, o średnicy Φ 112 mm. W przypadku nawiercenia strefy spękań lub szczelin, (co charakteryzowało się całkowitym zanikiem płuczki wiertniczej) wiercenie przerywano i prowadzono cementację ciśnieniową górotworu. Po zatłoczeniu pierwszej strefy i związaniu zatłoczonego zaczynu cykl powtarzano aż do osiągnięcia końcowej głębokości otworu (zgodnie z patentem nr 110417). Zestawienie podstawowych danych odwierconych otworów dla III etapu zestawiono w tabelach 6.1 i 6.2. Tabela 6.1 Zestawienie podstawowych danych z przewierconych stref z 10 otworów wiertniczych o średnicy = 114 mm w etapie III Table 6.1 The basic data from intersected zones, stage III from10 boreholes (diameter = 114 mm) Wiercenie bezrdzeniowe gryzerem Przewiercanie korków po Nr Strefa cementacji otworu I II III IV V Razem [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] 1 27,0 37,0 46,0 55,0 165,0 33,0 2 29,0 39,0 48,0 56,0 172,0 34,4 3 30,0 40,0 50,0 63,0 183,0 36,6 4 31,0 37,0 44,0 52,0 60,0 22,4 44,8 5 22,0 33,0 42,0 53,0 58,0 208,0 41,6 6 30,0 36,0 43,0 50,0 57,0 216,0 43,2 7 25,0 39,0 48,0 55,0 167,0 33,4 8 20,0 38,0 59,0 66,0 183,0 36,6 9 26,0 50,0 57,0 70,0 213,0 42,6 10 24,0 33,0 38,0 43,0 52,0 190,0 38,0 Razem 1921,0 389,2 264
Tabela 6.2 Zestawienie podstawowych danych z 10 otworów wiertniczych o średnicy = 114 mm w etapie III Table 6.2 The basic data regarding10 boreholes (diameter = 114 mm) stage III Nr otworu Głębokość otworu Wiercenie rdzeniowe Zarurowanie rurami 5 Wiercenie na sucho Przewiercanie stref. Wiercenie bezrdzeniowe gryzerem Przewiercanie korków po cementacji [m] [m] [m] [m] Uwagi 1 56,6 17,0 165,0 33,0 Pustka 2 56,8 11,3 172,0 34,4 Pustka 3 64,2 10,8 183,0 36,6 Bardzo silnie spękany górotwór 4 61,7 21,6 22,4 44,8 Pustka częściowo Podsadzona 5 58,7 14,1 208,0 41,6 Pustka częściowo Podsadzona 6 61,2 24,1 216,0 43,2 Bardzo silnie spękany górotwór 7 55,7 13,9 167,0 33,4 Górotwór słabo spękany 8 66,7 18,3 183,0 36,6 Górotwór silnie spękany 9 70,0 20,0 213,0 42,6 Pustka zaciśnięta 10 53,5 18,1 190,0 38,0 Pustka częściowo zaciśnięta Razem 605,1 169,2 1921,0 389,2 Razem odwiercono 3084,5 mb, a projekt przewidywał 3066,0 mb. W celu dokładniejszego rozpoznania stref występowania spękań i szczelin (całkowitych ucieczek płuczki), a także nawierconych wyrobisk chodnikowych w poszczególnych otworach wykonywano badania geofizyczno geologiczne mikrokamerą typu CCTV Bor Ca 2. Dla każdego odwierconego otworu została sporządzona karta dokumentacyjna wraz z konstrukcją otworu oraz strefowymi cementacjami ciśnieniowymi. W poszczególnych etapach prac wiertniczo uzdatniających odwiercono łącznie: Etap I 3924,0 mb 33 otwory, Etap II 2706,3 mb 15 otworów, Etap III 3061,0 mb 10 otworów. 7. Technologia cementacji spękanego górotworu i podsadzania nawierconych wyrobisk górniczych Nawiercenie otworami wiertniczymi pustek poeksploatacyjnych w poziomie pokładzie 501 oraz spękań i szczelin w strefach nadległych w poszczególnych otworach świadczyło o nieukończonym procesie zawału stropu wyrobisk, co stwarzało zagrożenie powstania w sposób niekontrolowany deformacji nieciągłych w postaci progów i zapadlisk na powierzchni. Mając powyższe na uwadze przy wyborze materiałów do sporządzania wiążących zaczynów wzmacniająco - podsadzających kierowano się następującymi przesłankami: - łatwością dostawy dziennej w ilości do 200 ton na dobę, - łatwością transportu, - brakiem ujemnego oddziaływania na środowisko, - łatwą technologią sporządzania wiążących zaczynów wzmacniająco podsadzających, 265
J. ZYCH, S. ZAWADA, A. KUBAŃSKI, M. KRUCZKOWSKI Uzdatnianie terenu w rejonie... - dużą możliwością regulacji własności technologicznych, - niskim kosztem sporządzenia i zatłoczenia 1 m 3 zaczynu, - dużą trwałością i odpornością tworzyw po związaniu na działanie wód powierzchniowych i podziemnych. W świetle powyższych wymagań oraz na podstawie dotychczasowych doświadczeń wytypowano następujące podstawowe materiały do prac związanych z likwidacją płytko zalegających pustek oraz wzmocnieniem nadległego górotworu: popiół lotny z elektrowni Chorzów - 90 % wagowych, cement CEM I - 32,5 R z cementowni Strzelce Opolskie 10 % wagowych, chlorek wapnia (CaCl 2) maksymalnie 2,0 % wagowych, woda przemysłowa z szybu Piast III KWK Polska Wirek, stosunek w/(c + p) = 0,45 0,50. Taką stosunkowo małą możliwość wyboru materiałów założono świadomie ze względu na specyfikę robót oraz wymagania zleceniodawcy. 7.1. Określenie zapotrzebowania materiałów do prac wzmacniająco podsadzających Dla obliczenia przybliżonej ilości materiałów do podsadzenia i uzdatnienia terenu przyjęto następujące założenia: - średnia szerokość pustek 5,0 m, - średnia wysokość pustek 4,0 m, - szerokość pasa do podsadzenia 40,0 50,0 m, - średnia gęstość zaczynu popiołowo cementowego przy w/(c+p) = 0,5 około 1,60 ton/m 3, - zawartość CaCl 2 maksymalnie 2 % wagowe masy suchej, - stosunek suchej masy cementu do popiołu wynosi 1:9, - średnia wyrobisk wymagających podsadzania wynosi 60 %, - ze względu na zużycie zaczynów do umacniania spękań i szczelin w górotworze nadległym oraz strat związanych z odpływem zatłaczanego zaczynu poza przyjęte granice a także z odsączeniem wody przyjęto współczynnik 1,3. Obliczone ilości poszczególnych materiałów i surowców zostały potwierdzone praktycznie w trakcie wykonawstwa prac wzmacniająco podsadzających. Ilości zatłoczonych zaczynów w poszczególnych etapach przedstawiono w tabelach 7.1 do 7.3 oraz na rys. 7.1 do 7.3. 7.2. Technologia sporządzania zaczynów popiołowo wodnych przeznaczonych do zabiegów wzmacniająco podsadzających Cykl sporządzania zaczynów popiołowo cementowych przebiegał w sposób podany poniżej. Mieszanie suchego popiołu i cementu CEM I - 32,5 R w stosunku 9 części wagowych popiołu i 1 część wagowa cementu odbywało się w stanie suchym w Zakładzie Prefabrykacji Elektrowni Chorzów przy pomocy urządzenia dozująco wagowego Tak przygotowaną mieszaninę popiołowo - cementową suchą dostarczano bezpośrednio na budowę w rejony poszczególnych otworów za pomocą cementosamochodów. W przypadku zabiegów strefowych wykonywanych pod ciśnieniem zaczyn popiołowo cementowy sporządzano przy pomocy głowicy pneumatyczno hydraulicznej (rys. 7.4), a zatłaczano do otworu przy pomocy agregatu pompowego poprzez głowicę cementacyjną zamontowaną na rurze konduktorowej. 266
Lp. Tabela 7.1 Zestawienie zużycia surowców do sporządzania zaczynów popiołowo-cementowych w etapie I i II Table. 7.1 The raw material consumption for backfill materials preparing stage I and II Rodzaj zużytego surowca, [t] Nr otworu Popiół suchy Cement Chlorek wapnia Zaczyn cementowo-popiołowy 1 1p 510.0 52.1 4.4 566.5 2 2p 51.0 501.0 0.2 552.2 3 3p 125.9 12.3 0.5 138.7 4 4p 393.9 39.1 3.6 436.6 5 5p 178.5 18.3 1.4 198.2 6 6p 305.2 30.9 0.7 336.8 7 7p 195.6 21.9 1.9 219.4 8 8p 178.5 17.9 0.7 197.1 9 9p 1429.4 144.7 12.8 1586.9 10 10p 45.5 5.0 0.1 50.6 11 11p 218.0 21.5 1.4 240.9 12 12p 20.0 2.8-22.8 13 13p - 1.0-1.0 14 15p 309.3 37.0 3.2 349.5 15 16p 5.0 1.5-6.5 16 17p 736.6 78.6 4.6 819.8 17 18p 87.9 10.6 0.9 99.4 18 19p 817.4 84.7 7.5 909.6 19 20p 1624.8 172.0 16.0 1812.8 20 21p 85.4 8.5 0.7 94.6 21 22p 70.5 10.9 5.2 86.6 22 23p 30.0 3.2 0.3 33.5 23 24p 44.9 5.0 0.5 50.4 24 25p 665.4 71.4 0.3 737.1 26 26p 666.5 73.2-739.7 RAZEM 8875.9 1433.5 67.8 10377.2 1 27 1420.0 158.0 25.8 1577.8 2 28 1652.0 184.0 30.0 1836.4 3 29 1530.0 170.0 30.0 1700.0 4 30 2341.6 260.0 52.0 2601.6 5 31 620.0 70.0 14.0 690.8 6 32 213.1 24.0 4.6 237.1 7 33 257.9 28.6 5.7 286.5 8 34 343.0 38.0 7.6 381.0 9 35 109.0 12.0 1.2 121.0 10 36 88.7 10.0 1.0 98.7 11 37 1617.5 180.0 36.0 1797.5 12 38 372.8 41.0 8.0 413.8 13 39 2101.0 233.0 45.0 2334.0 14 40 1628.1 181.0 36.0 1809.1 15 41 12.3 1.4 0.3 13.7 16 41bis 58.4 6.5 0.7 64.9 RAZEM 14367.0 1597.0 312.0 15963.9 267
J. ZYCH, S. ZAWADA, A. KUBAŃSKI, M. KRUCZKOWSKI Uzdatnianie terenu w rejonie... 2000 Ilosc wtloczonego zaczynu, [t] 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1p 3p 5p 7p 9p 11p 13p 16p 18p Nr otworu wiertniczego 20p 22p 24p 26p` Popiól suchy Cement Chlorek wapnia Zaczyn cementowo-popiolowy Rys. 7.1 Wykresy ilości zatłoczonych materiałów do otworów w etapie I Fig. 7.1 The charts of quantities of materials forced into boreholes in I stage 3000 Ilosc wtloczonego zaczynu, [t] 2500 2000 1500 1000 500 0 O-27 O-28 O-29 O-30 O-31 O-32 O-33 O-34 O-35 O-36 O-37 O-38 O-39 O-40 O-41 O- 41bis Nr otworu Popiól lotny suchy Cement P35 Chlorek wapnia Zaczyn popiolowo-cementowy Rys. 7.2 Wykresy ilości zatłoczonych materiałów do otworów w etapie II Fig. 7.2 The charts of quantities of materials forced into boreholes in II stage 268
W trakcie sporządzania i zatłaczania zaczynu popiołowo cementowego grawitacyjnie lub pod ciśnieniem, kontrolowano gęstość i rozlewność przez korygowanie stosunku wody, cementu i popiołu w sporządzanym zaczynie. Tabela 7.2 Zestawienie zbiorcze zatłoczonych ilości zaczynów popiołowo cementowych w poszczególnych otworach w rozbiciu na strefy w etapie III Table 7.2 The quantities of ash-cement backfill material forced into boreholes - stage III Strefa cementacji ciśnieniowej i podsadzeniowej w poszczególnych otworach [m 3 ] Nr otwor u Pod ciśnieniem I II III IV V Pod Pod Pod Pod Grawi- Grawi- Grawi- Grawiciśnie- ciśnienieniem ciśnie- ciśnieniem tacyjnie tacyjnie tacyjnie tacyjnie niem Grawitacyjnie 1 27,4 76,0 8,9 10,7 129,1 541,0 2 30,7 64,0 9,9 8,4 63,5 2784,1 3 29,4 54,0 8,9 10,1 33,9 961,2 4 80,0 7,8 8,5 210,0 10,4 5 8,9 7,4 6,8 181,3 7,2 6 7,3 159,3 8,5 41,1 10,6 7 11,3 5,2 6,9 19,4 8 48,8 6,7 11,4 123,2 9 6,3 42,4 11,1 420,0 5,8 10 7,8 135,7 100,7 7,9 10,5 34,6 680,0 Tabela 7.3 Zestawienie zbiorcze zatłoczonych ilości zaczynów popiołowo cementowych w poszczególnych otworach w etapie III Table 7.3 The quantities of ash-cement backfill material forced into boreholes - stageiii Nr otworu Ilość zatłoczonych zaczynów popiołowo-cementowych [m 3 ] Pod ciśnieniem Grawitacyjnie Razem 1 176,1 617,0 793,1 2 112,5 2848,1 2960,6 3 82,3 1015,0 1097,3 4 316,7 316,7 5 211,6 211,6 6 226,8 226,8 7 42,8 42,8 8 190,1 190,1 9 65,6 420,0 485,6 10 196,5 780,7 977,2 Razem 1621,0 5681,0 7302,0 Cykl technologiczny wzmacniania górotworu (cementacja pod ciśnieniem maksymalnie 1,5 MPa) i podsadzenia nawierconych pustek przebiegał następująco: przygotowanie wymaganych ilości wody z dodatkiem CaCl 2 w zależności od pojemności cementosamochodu dostarczającego suchą mieszaninę popiołowo cementową, podawanie wody zarobowej pod ciśnieniem 0,6 MPa do głowicy hydrauliczno pneumatycznej, tłoczenie pod ciśnieniem 0,15 MPa suchej mieszaniny popiołowo cementowej do głowicy, mieszanie pneumatyczno - hydrauliczne suchej mieszaniny popiołowo cementowej z wo- 269
J. ZYCH, S. ZAWADA, A. KUBAŃSKI, M. KRUCZKOWSKI Uzdatnianie terenu w rejonie... dą zarobową w komorze mieszania w/w głowicy, zatłaczanie grawitacyjne lub pod ciśnieniem zaczynu popiołowo cementowego, kontrola parametrów technologicznych oraz korygowanie składu zaczynu. Ilosc zatloczonego zaczynu, [m3 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 O-1 O-2 O-3 O-4 O-5 O-6 O-7 O-8 O-9 O-10 Numer otworu wiertniczego Pod cisnieniem Grawitacyjnie Razem Rys. 7.3 Wykresy ilości zatłoczonych materiałów do otworów w etapie III Fig. 7.3 The charts of quantities of materials forced into boreholes in stage III W warunkach terenowych w trakcie sporządzania zaczynów popiołowo cementowych kontrolowane są następujące parametry technologiczne: - gęstość zaczynu za pomocą wagi Baroida z każdego cementosamochodu, - rozlewność z każdego cementosamochodu, - odstój wody w każdym dniu, - czas wiązania raz w tygodniu, - wytrzymałość związanego tworzywa na ściskanie (próbki do badań polowych) raz na dwa tygodnie. Badania własności technologicznych zaczynów popiołowo cementowych wykonywano zgodnie z normą PN 85/G 02320 Cementy i zaczyny cementowe do cementowania w otworach wiertniczych. Wyniki badań własności technologicznych zaczynów popiołowo cementowych stosowanych w pracach wzmacniająco podsadzających, których celem było wyeliminowanie przyczyn powstawania deformacji nieciągłych w rejonie wiaduktu SC-0 Drogowej Trasy Średnicowej zestawiono w tabeli 7.4. W pracach związanych z zabezpieczeniem terenu pod wiadukt SC-0 oraz nowo wybudowany szlak kolejowy Chorzów Batory Chorzów miasto w km 1.200 1.700 zatłoczono łącznie 31.632 m 3 zaczynu popiołowo cementowego. 270
Rys. 7.4 Urządzenie do zatłaczania wyrobisk górniczych widok z boku. Po prawej głowica w przekroju podłużnym [6] Fig. 7.4 Equipment designed for forcing material into underground headings in side view. On the right, view in longitudinal section [6] 8. Metody kontroli efektywności i skuteczności podsadzania Podstawowymi czynnikami, które wpływały na efektywność zrealizowanych w latach 1992 2001 prac wzmacniająco podsadzających były: - parametry technologiczne stosowanych wiążących zaczynów popiołowo - cementowych, - zasięg penetracji w górotworze w trakcie ciśnieniowej cementacji strefowej w poszczególnych otworach, - parametry wytrzymałościowe tworzywa powstałe po związaniu zatłoczonych zaczynów, - odporność tworzywa powstałego po związaniu zatłoczonych zaczynów na wody powierzchniowe, - stopień wypełnienia przewierconego spękanego górotworu oraz nawierconych pustek. Mając powyższe na uwadze ocenę skuteczności i efektywności zrealizowanych prac przeprowadzono w każdym etapie dwoma metodami: - metodą wiertniczą (pomiary wykonawcze i wiercenia kontrolne), - pomiary geofizyczne. Przy metodzie wiertniczej kontrola w trakcie zatłaczania dotyczyła głównie sterowania ciśnieniem w trakcie cementacji w poszczególnych strefach jak również w czasie podsadzania nawierconych pustek i obejmowała: - przestrzeganie ilości poszczególnych surowców (popiół lotny, cement CEM I 32,5 R, chlorek wapnia, woda zarobowa) w trakcie sporządzania i zatłaczania zaczynów popiołowo cementowych, - prowadzenie obserwacji dopływu zaczynów do sąsiednich otworów. Kontrola w trakcie przewiercania stref uprzednio wzmocnionych i podsadzonych pustek obejmowała: - prowadzenie dokładnej obserwacji obiegu płuczki wiertniczej w trakcie przewiercania ot- 271
J. ZYCH, S. ZAWADA, A. KUBAŃSKI, M. KRUCZKOWSKI Uzdatnianie terenu w rejonie... worów, - pobieranie odcinków rdzenia ze stref cementacji ciśnieniowej dla określenia stopnia wzmocnienia górotworu i jakości tworzywa wypełniającego szczeliny i pustki, - wykonywanie badania szczelności poprzez wypełnienie wodą przewierconego otworu po zakończeniu prac w każdym otworze, - zabiegi dotłaczające pod ciśnieniem 2,0 MPa w każdym otworze. Tabela 7.4 Wyniki badań laboratoryjnych podstawowych parametrów technicznych zaczynów stosowanych w etapie III Table 7.4 Results of laboratory researches of basic technical parameters of backfill material stage III L.p. Początek Koniec Wytrzymałość na Gęstość Stosunek Odstój wody g/cm 3 wiązania wiązania ściskanie po w/(c+p) % obj. godz. min. godz. min. 28 dniach [MPa] 1 1,60 0,48 2,0 2 1,58 0,48 1,9 13h25 36h42 2,33 3 1,58 0,48 1,8 4 1,59 0,49 2,0 5 1,56 0,50 1,9 13h10 34h27 2,13 6 1,60 0,47 2,0 7 1,57 0,50 2,2 8 1,56 0,49 2,3 12h49 33h47 2,64 9 1,60 0,47 1,8 10 1,60 0,47 1,8 11 1,54 0,48 1,8 13h52 34h43 2,85 12 1,58 0,49 1,9 13 1,58 0,49 1,9 14 1,57 0,48 1,9 12h47 34h42 2,76 15 1,58 0,48 1,9 16 1,60 0,47 1,8 17 1,56 0,50 2,4 13h11 35h18 2,47 18 1,57 0,50 2,2 19 1,58 0,48 2,0 20 1,59 0,47 2,1 11h48 33h13 3,01 21 1,57 0,50 2,0 Badania geofizyczne metodą mikrograwimetryczną przy zastosowaniu mikrograwimetru CG-3 w celu oceny skuteczności i jakości zrealizowanych prac wzmacniająco podsadzających wykonywano po zakończeniu całości prac wiertniczo podsadzkowych w każdym etapie. Wykonane badania terenowe w/w metodą wykluczyły występowanie obszarów o zaniżonej gęstości, co w konsekwencji pozwala na stwierdzenie, że górotwór został wzmocniony (brak spękań i szczelin), a nawiercone wyrobiska zostały szczelnie wypełnione. 9. Podsumowanie 1. Prace wiertnicze wykonane w trakcie realizacji prac związanych z zabezpieczeniem omawianego terenu przed wpływem deformacji nieciągłych potwierdziły w bardzo wysokim stopniu przewidywaną budowę geologiczną i głębokość wyrobisk pogórniczych w pokładzie 501 oraz duże zagrożenie terenu na powierzchni deformacjami nieciągłymi. 272
2. Wtłoczona w trakcie prac wiertniczo - wzmacniająco podsadzających ilość (objętość) zaczynu popiołowo cementowego gwarantuje wzmocnienie i podsadzenie pasa o szerokości około 50,0 m dla utrzymania stabilności wiaduktu drogowego SC-0 oraz nowo budowanego odcinka torów szlaku kolejowego Chorzów Batory Chorzów Miasto. 3. Zrealizowane prace wiertniczo umacniające na przestrzeni lat 1992 2001 pozwoliły na bezpieczne wybudowanie bezkolizyjnego węzła drogowo kolejowego w ramach nowo budowanej Drogowej Trasy Średnicowej. Literatura [1] Sprawozdania z prac wiertniczo podsadzkowych zrealizowanych w latach 1992 2001 dla potrzeb Drogowej Trasy Średnicowej opracowane przez Zakład Inżynieryjny GEOREM w Sosnowcu. [2] Projekt techniczny wypełnienia pustek w wyrobiskach górniczych na szlaku PKP Chorzów Batory - Chorzów Miasto w km 1.300-1.450. Ekspert Sp. z o.o., Katowice, 1991. [3] Praca naukowo-badawcza. Przeprowadzenie badań technicznych wraz z podaniem warunków ekonomicznych w celu określenia postępowania inwestora w zakresie kontynuacji względnie przerwania robót podsadzeniowych na szlaku PKP Chorzów Batory - Chorzów Miasto w km 1.300-1.550 wykonana przez Katedrę Geomechniki, Budownictwa Podziemnego i Ochrony Powierzchni. Gliwice, czerwiec 1998 r. [4] Dokumentacja powykonawcza wypełnienia pustek w wyrobiskach górniczych na szlaku PKP Chorzów Batory-Chorzów Miasto w km 1.300 1.550 (od mostu na rzece Rawie do szybu wentylacyjnego KWK Polska-Wirek ) wykonana przez Zakład Inżynieryjny GEOREM w Sosnowcu. Sosnowiec, październik 1998 r. [5] Ocena dokumentacji powykonawczej z wypełnienia pustek w wyrobiskach górniczych na szlaku PKP Chorzów Batory-Chorzów Miasto w km 1.300-1.550 (od mostu na rzece Rawie do szybu wentylacyjnego KWK Polska-Wirek ) P.I.W.G GWAREK Spółka z o.o. Świętochłowice, październik 1998 r. [6] Moroński S., Stodułkiewicz Z., Zawada S., Zelnik J.: Urządzenie do zatłaczania wyrobisk górniczych. Wzór użytkowy Nr 50743. Warszawa 17 marca 1993 r. The terrain preparation in the area of SC-0 flyover for building of Trasa Średnicowa (DR) road In many areas of Upper Silesian Coal Basin there are old voids resulting from shallow coal seams mining, which took place mainly in 19 th century and in the beginning of 20 th century. In specific conditions those voids cause discontinuous deformations on the surface. Described section of the DR is localized in area of two cities: Chorzów and Świętochłowice. It goes through areas where there are shallow voids resulting from mining activity in 501 coal seam. In order to protecting DR road in the area of SC-0 flyover (section from Wolności Street in Chorzów to Żołnierska Street in Świętochłowice) the work has been done to seal the rock mass and liquidate shallow voids and consequently to eliminate the cause of discontinuous deformation arising on the surface. Przekazano: 30 marca 2001 273